Tijdens de pandemie, mensen dragen gezichtsmaskers om anderen te respecteren en te beschermen - niet alleen om zichzelf te beschermen, zegt een team van onderzoekers van de Northwestern University.

Met dit in gedachten, de onderzoekers ontwikkelden een nieuw concept voor een masker dat als doel heeft de drager minder besmettelijk te maken. Het centrale idee, die steun ontving van de National Science Foundation via een RAPID-subsidie, is het aanpassen van maskerstoffen met antivirale chemicaliën die uitgeademde, ontsnapte ademdruppels.

Door inademing te simuleren, uitademing, hoesten en niezen in het laboratorium, de onderzoekers ontdekten dat niet-geweven stoffen die in de meeste maskers worden gebruikt, goed werken om het concept te demonstreren. Een pluisvrij doekje met slechts 19% vezeldichtheid, bijvoorbeeld, ontsmet tot 82% van de ontsnapte ademhalingsdruppeltjes per volume. Dergelijke stoffen maken het ademen niet moeilijker, en de chemicaliën op het masker kwamen niet los tijdens gesimuleerde inhalatie-experimenten.

Het onderzoek wordt op 29 oktober gepubliceerd in het tijdschrift Materie .

Belang van het beschermen van anderen

"Maskers zijn misschien wel het belangrijkste onderdeel van de persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) die nodig zijn om een ​​pandemie te bestrijden, " zei Jiaxing Huang van Northwestern, die de studie leidde. "We realiseerden ons al snel dat een masker niet alleen de persoon die het draagt ​​beschermt, maar veel belangrijker, het beschermt anderen tegen blootstelling aan de druppeltjes (en ziektekiemen) die door de drager worden afgegeven.

"Er lijkt nogal wat verwarring te bestaan ​​over het dragen van maskers, omdat sommige mensen denken dat ze geen persoonlijke bescherming nodig hebben, " voegde Huang toe. "Misschien moeten we het volksgezondheidsapparatuur (PHE) noemen in plaats van PBM."

Huang is een professor in materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. Afgestudeerde student Haiyue Huang en postdoctoraal fellow Hun Park, beide leden van Huang's laboratorium, zijn co-eerste auteurs van het papier.

"Waar een uitbraak van besmettelijke luchtwegaandoeningen is, het beheersen van de bron is het meest effectief in het voorkomen van virale verspreiding, " zei Haiyue Huang, een 2020 Ryan Fellowship Awardee. "Nadat ze de bron hebben verlaten, luchtdruppels worden meer diffuus en moeilijker te controleren."

Het doel en resultaat

Hoewel maskers uitgeademde ademhalingsdruppels kunnen blokkeren of omleiden, veel druppeltjes (en hun ingebedde virussen) ontsnappen nog steeds. Vanaf daar, met virus beladen druppeltjes kunnen een andere persoon direct infecteren of op oppervlakken terechtkomen om anderen indirect te infecteren. Het team van Huang probeerde de ontsnappingsdruppels chemisch te veranderen om de virussen sneller te laten deactiveren.

Om dit te bereiken, Huang probeerde een maskerstof te ontwerpen die:(1) het ademen niet moeilijker zou maken, (2) Kan moleculaire antivirale middelen laden, zoals zuur- en metaalionen die gemakkelijk kunnen oplossen in ontsnapte druppeltjes, en (3) geen vluchtige chemicaliën of gemakkelijk verwijderbare materialen bevatten die door de drager kunnen worden ingeademd.

Na het uitvoeren van meerdere experimenten, Huang en zijn team selecteerden twee bekende antivirale chemicaliën:fosforzuur en koperzout. Deze niet-vluchtige chemicaliën waren aantrekkelijk omdat geen van beide kan worden verdampt en vervolgens potentieel kan worden ingeademd. En beide creëren een lokale chemische omgeving die ongunstig is voor virussen.

"Virusstructuren zijn eigenlijk heel delicaat en 'bros, '", zei Huang. "Als een deel van het virus niet goed werkt, dan verliest het het vermogen om te infecteren."

Het team van Huang liet een laag geleidend polymeer polyaniline groeien op het oppervlak van de vezels van het maskerweefsel. Het materiaal hecht sterk aan de vezels, fungeren als reservoirs voor zuur en koperzouten. De onderzoekers ontdekten dat zelfs losse stoffen met een vezelarme pakkingsdichtheid van ongeveer 11%, zoals medisch gaas, nog steeds 28% van de uitgeademde ademhalingsdruppels per volume veranderd. Voor strakkere stoffen, zoals pluisvrije doekjes (het soort weefsel dat in het laboratorium doorgaans wordt gebruikt voor reiniging), 82% van de ademhalingsdruppels was gemodificeerd.

Huang hoopt dat het huidige werk een wetenschappelijke basis biedt voor andere onderzoekers, vooral in andere delen van de wereld, om hun eigen versies van deze chemische modulatiestrategie te ontwikkelen en deze verder te testen met virale monsters of zelfs met patiënten.

"Ons onderzoek is een open kennis geworden, en we zouden graag zien dat meer mensen zich bij deze inspanning aansluiten om instrumenten te ontwikkelen om de reacties op de volksgezondheid te versterken, " Huang zei. "Het werk wordt bijna volledig in het laboratorium gedaan tijdens de sluiting van de campus. We hopen onderzoekers in de niet-biologische kant van wetenschap en techniek en mensen zonder veel middelen of connecties te laten zien dat ze ook hun energie en talent kunnen bijdragen."